گندمی که بر مواد معدنی خاک تاثیر میگذارد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا دیویس موفق شده‌اند گونه‌ای از گندم را با استفاده از فناوری ویرایش ژن CRISPR توسعه دهند که قادر است بخشی از کود مورد نیاز خود را به‌صورت طبیعی در خاک تولید کند؛ دستاوردی که می‌تواند آلودگی‌های زیست‌محیطی را کاهش دهد، هزینه‌های کشاورزی را پایین بیاورد و بهره‌وری تولیدات غذایی را افزایش دهد.

این تحقیق توسط گروهی به سرپرستی ادواردو بلوموالد، استاد برجسته دانشکده علوم گیاهی UC دیویس انجام شده است. پژوهشگران با بهبود یکی از ترکیبات طبیعی گیاه (یک فلاوون به نام آپی‌جنین) و افزایش تولید آن از طریق CRISPR کاری کردند که ریشه‌های گندم مقدار اضافی این ماده را وارد خاک کنند. این ترکیب اضافی سبب تحریک باکتری‌های خاصی در خاک می‌شود که توانایی تبدیل نیتروژن هوا به نوع قابل جذب برای گیاه را دارند؛ فرآیندی که تثبیت نیتروژن نامیده می‌شود.

مزیت‌های مهم برای امنیت غذایی

بلوموالد می‌گوید این پیشرفت به‌ویژه برای مناطقی از جهان که کشاورزان توان خرید کود شیمیایی را ندارند، می‌تواند تغییری اساسی ایجاد کند. او با اشاره به شرایط بسیاری از کشور‌های آفریقایی تاکید می‌کند: وقتی گیاهی بتواند با تحریک باکتری‌ها، کود مورد نیازش را به‌طور طبیعی تولید کند، ماجرا کاملاً فرق می‌کند.

این پروژه ادامه موفقیت پیشین این گروه در برنج است و تلاش‌ها برای انتقال این روش به دیگر غلات مهم نیز در جریان است.

بحران جهانی کود شیمیایی

گندم به‌عنوان دومین محصول غله‌ای مهم جهان، حدود ۱۸ درصد از مصرف کود نیتروژنه را به خود اختصاص می‌دهد. طبق آمار سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (FAO)، در سال ۲۰۲۰ بیش از ۸۰۰ میلیون تن کود در جهان تولید شد، اما گیاهان معمولا تنها ۳۰ تا ۵۰ درصد این کود نیتروژنه را جذب می‌کنند و بخش زیادی از آن وارد رودخانه‌ها، مناطق ساحلی و محیط‌های آبی شده و زون‌های مرگ ایجاد می‌کند. نیتروژن اضافی خاک نیز به تولید اکسید نیتروژن، یکی از گاز‌های بسیار قوی گلخانه‌ای، منجر می‌شود.

چرا گندم نمی‌تواند مانند حبوبات نیتروژن تثبیت کند؟

حبوبات دارای گره‌های ریشه‌ای هستند که شرایط کم‌اکسیژن لازم برای فعالیت آنزیم نیتروژناز در باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن را فراهم می‌کند. اما گندم و بیشتر غلات چنین ساختاری ندارند؛ به همین دلیل کشاورزی متکی به کود شیمیایی است. بلوموالد توضیح می‌دهد که رویکرد آنها متفاوت بوده است: محل قرارگیری باکتری‌ها مهم نیست؛ مهم این است که نیتروژن تثبیت‌شده به گیاه برسد و گیاه بتواند از آن استفاده کند.

مسیر یافتن یک راه‌حل

پژوهشگران ۲۸۰۰ ترکیب طبیعی گیاهی را بررسی کردند و ۲۰ ترکیب را یافتند که می‌توانست باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن را به تشکیل بیوفیلم تحریک کند؛ پوششی چسبناک که محیط کم‌اکسیژن لازم برای فعالیت نیتروژناز را ایجاد می‌کند. سپس مسیر تولید این ترکیبات و ژن‌های دخیل در آن شناسایی شد.

در نهایت با ویرایش ژنی CRISPR میزان تولید آپی‌جنین در گندم افزایش یافت. گیاه مقدار اضافی این ماده را وارد خاک می‌کند و بیوفیلم‌سازی باکتری‌ها را تقویت می‌کند. آزمایش‌ها نشان داد که این گندم حتی در شرایط کوددهی بسیار کم، عملکرد بالاتری نسبت به نمونه‌های کنترل داشته است.

پیامد‌های اقتصادی

کشاورزان آمریکایی در سال ۲۰۲۳ حدود ۳۶ میلیارد دلار برای خرید کود هزینه کردند. بلوموالد می‌گوید کاهش تنها ۱۰ درصدی استفاده از کود در حدود ۵۰۰ میلیون هکتار زمین زیر کشت غلات در آمریکا می‌تواند بیش از یک میلیارد دلار صرفه‌جویی ایجاد کند.

این پژوهش با همکاری محققانی از جمله هی‌رو‌می تاجیما، آکیلش یاداو، خاویر هیدالگو کاستلانوس، داوی یان، بنجامین بروک‌بنک و ایجی نامبارا انجام شده است.

دانشگاه کالیفرنیا برای این دستاورد یک درخواست ثبت اختراع ارائه کرده و بودجه پروژه نیز از سوی Bayer Crop Science و صندوق Will Lester دانشگاه UC دیویس تامین شده است.